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Principio AFM
Mundo Nano
'Nano', de la palabra griega que significa 'enano', se corresponde con un prefijo que indica un factor de 10-9. Así, un nanómetro es una milmillonésima de un metro, que es la escala de longitud a la que la fuerza intermolecular y el efecto cuántico toman lugar. ¡Para poner la nano escala en una perspectiva más comprensible, tenga en cuenta que el tamaño de un átomo en comparación con una manzana es similar al tamaño de una manzana en relación con el planeta tierra! Los microscopios de fuerza atómica (AFM) nos ofrecen una ventana a este mundo de nano escala.
Principio AFM
- Sensor de superficie
Un AFM utiliza una micro palanca con una punta muy afilada en su vértice para escanear la superficie de la muestra. A medida que la punta se acerca a la muestra, las fuerzas de atracción de corto alcance entre la superficie y la punta de la micro palanca provocan que ésta se flexione hacia la superficie. Sin embargo, debido a que la punta continua aproximándose a la superficie hasta llegar a tocarla, se observa un aumento de las fuerzas repulsivas que inducen una inversión de la flexión de la micro palanca contra la superficie.
- Método de detección
Se emplea un haz láser para detectar desviaciones en la micro palanca hacia o contra la superficie. Haciendo reflejar el haz incidente en la parte superior plana de la micro palanca, cualquier movimiento de la micro palanca producirá pequeños cambios en la dirección del rayo reflejado. Empleando un fotodiodo sensible a la posición (PSPD) se pueden monitorizar estos cambios de posición. Así, si una punta de AFM pasa sobre una superficie elevada, la flexión contra la superficie de la micro palanca resultante (y el subsecuente cambio en la dirección del rayo reflejado) se registra por los cambios de la posición del haz laser medidos en el PSPD.
- Adquisición de imágenes
La obtención de la imagen topográfica de AFM en una muestra se realiza explorando la superficie con la micro palanca en la zona de interés. La transición entre accidentes topográficos elevados y deprimidos en la superficie de la muestra influyen en la desviación de la micro palanca, que se monitoriza en el PSPD. Usando un circuito de retroalimentación para controlar la altura de la punta sobre la superficie, y buscando mantener constante la posición del láser sobre el PSPD, el AFM puede generar un mapa topográfico exacto de las características superficiales.
AFM Principle
Nano World
Le préfix Nano vient du grec et indique un facteur de 10-9. Ainsi, un nanomètre est un milliardième de mètre, et l’unité à laquelle s’appliquent la force intermoléculaire et l’effet quantique. Pour mettre l’échelle nanométrique dans une perspective plus facilement compréhensible, imaginez que la taille d’un atome par rapport à une pomme est similaire à la taille d’une pomme par rapport à la planète Terre ! Les microscopes à force atomique (Atomic Force Microscopes – AFM) nous ouvrent donc ainsi une fenêtre sur ce monde à l’échelle nanométrique.
Principe des AFM
- Détection de surface
Un AFM utilise un levier (cantilever) avec une pointe très fine pour balayer la surface d’un échantillon. Quand la pointe s’approche de la surface, la force d’attraction à courte portée entre la surface et la pointe provoque la déviation du cantilever vers la surface. Cependant, dans le même temps, une force de répulsion de plus en plus importante entre en action et provoque l’éloignement du cantilever de cette dernière.
- Méthode de détection
Un rayon laser est utilisé pour détecter la déviation du cantilever vers la surface ou encore son éloignement. En réfléchissant un faisceau incident sur la partie haute du cantilever, toute déviation de ce dernier provoquera de légers changements de direction du faisceau réfléchi. Une photodiode sensible à la position (position-sensitive photo diode – PSPD) peut être utilisée pour suivre ces changements. Ainsi, si la pointe d’un AFM passe sur un élément de surface en relief, la déviation du cantilever qui en résulte (et le changement de direction du faisceau réfléchi qui suit) est enregistrée par la PSPD.
- Imagerie
Un AFM capture la topographie de la surface d’un échantillon en balayant le cantilever sur une région d’intérêt. Les éléments en relief ou en creux sur la surface de l’échantillon influencent la déviation du cantilever, qui est contrôlée par la PSPD. En utilisant une boucle de rétroaction pour contrôler la hauteur de la pointe au-dessus de la surface – maintenant ainsi une position du laser constante – l’AFM peut générer une carte topographique précise des éléments de la surface.
AFM Principle
Nano World
Nano, from the Greek word for 'dwarf', corresponds to a prefix denoting a factor of 10-9. Thus, a nanometer is one billionth of a meter, which is the length scale at which intermolecular force and quantum effect take hold. To put the nanoscale in a more understandable perspective, consider that the size of an atom relative to an apple is similar to the size of an apple relative to the planet Earth! Atomic Force Microscopes (AFMs) give us a window into this nanoscale world.
AFM Principle
- Surface Sensing
An AFM uses a cantilever with a very sharp tip to scan over a sample surface. As the tip approaches the surface, the close-range, attractive force between the surface and the tip cause the cantilever to deflect towards the surface. However, as the cantilever is brought even closer to the surface, such that the tip makes contact with it, increasingly repulsive force takes over and causes the cantilever to deflect away from the surface.
- Detection Method
A laser beam is used to detect cantilever deflections towards or away from the surface. By reflecting an incident beam off the flat top of the cantilever, any cantilever deflection will cause slight changes in the direction of the reflected beam. A position-sensitive photo diode (PSPD) can be used to track these changes. Thus, if an AFM tip passes over a raised surface feature, the resulting cantilever deflection (and the subsequent change in direction of reflected beam) is recorded by the PSPD.
- Imaging
An AFM images the topography of a sample surface by scanning the cantilever over a region of interest. The raised and lowered features on the sample surface influence the deflection of the cantilever, which is monitored by the PSPD. By using a feedback loop to control the height of the tip above the surface—thus maintaining constant laser position—the AFM can generate an accurate topographic map of the surface features.
AFM Principle
Die Nanowelt
Nano kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie “Zwerg”. Die Vorsilbe Nano entspricht einem Faktor von 10-9. Ein Nanometer ist ein milliardstel Meter. Im Bereich von Nanometern treten intermolekulare Kräfte und Quanteneffekte auf. Um ein besseres Gefühl für die Nanoskala zu bekommen, stellen Sie sich die Größe eines Atoms im Verhältnis zu einem Apfel vor, das gleiche Verhältnis wie ein Apfel im Vergleich zur Erde! Das Rasterkraftmikroskop (RKM) erlaubt uns einen Blick in die Nanowelt.
Das RKM-Messprinzip
- Oberflächenmessung
Das Rasterkraftmikroskop benutzt eine Blattfeder, auch Cantilever genannt, mit einer sehr feinen Nadel, die zeilenweise über die Probenoberfläche rastert. Wenn die Spitze der Nadel in die Nähe der Probenoberfläche kommt, treten Anziehungskräfte auf, die zu einer Ablenkung der Blattfeder in Richtung Probe führen. Wird die Spitze in noch größere Nähe mit der Probenoberfläche gebracht, dann treten Abstoßungskräfte auf, die zu einer Ablenkung der Blattfeder weg von der Oberfläche führen.
- Messmethode
Mittels Laserstrahl lassen sich die Ablenkungen des elastischen Hebelarms messen. Richte man einen Laserstrahl auf die ebene Oberfläche der Blattfeder, so führt jede Ablenkung der Blattfeder zu einem veränderten Ausfallswinkel des reflektierten Lichts. Mit einer Positions-sensitiven Fotodiode (PSPD) lassen sich diese Veränderungen aufzeichnen. Wenn die RKM-Spitze über eine Erhebung in der Probenoberfläche gleitet, dann wird die Ablenkung der Blattfeder (und damit der veränderte Ausfallswinkel) von der Fotodiode registriert.
- Bildgebung
Das Rasterkraftmikroskop bildet die Topografie einer Probenoberfläche durch das Scannen der Cantilever-Messnadel über einem Probenbereich von Interesse ab. Vertiefungen und Erhebungen in der Probenoberfläche führen zur Ablenkung der Blattfeder, die mittels einer Fotodiode registriert wird. Die Kontrolle des Abstands zwischen Nadelspitze und Probenoberfläche (bei einer konstanten Laserposition) erlaubt dem Rasterkraftmikroskop mithilfe einer Rückkopplungsschleife die genaue Abbildung der Oberflächenstruktur der Probe.